Weryfikacja systemów sterowania statkiem z wykorzystaniem modeli

Transkrypt

Andrzej Łebkowski
Akademia Morska w Gdyni
WERYFIKACJA SYSTEMÓW STEROWANIA STATKIEM
Z WYKORZYSTANIEM MODELI FIZYCZNYCH
W artykule przedstawiono jeden ze sposobów weryfikacji systemów sterowania statkiem lub systemów
wspomagających podjęcie decyzji przez nawigatora. Proces weryfikacji opiera się na wykorzystaniu
modelu fizycznego zbudowanego w dużej skali (1:100), który porusza się w rzeczywistym środowisku
nawigacyjnym. Dla poruszającego się modelu sprzężonego sygnałami radiowymi ze stanowiskiem
znajdującym się na brzegu sytuacje nawigacyjne generowane są wirtualnie. Opisany proces
weryfikacji cechuje niski nakład kosztów inwestycyjnych w stosunku do uzyskanych wyników badań.
1. WSTĘP
Proces weryfikacji opracowanego systemu sterowania lub wspomagania
decyzji jest nieodzownym elementem pracy inżynierskiej. Najczęściej stosowaną
metodą weryfikacyjną są badania modelowe z wykorzystaniem matematycznych
modeli fizycznych tworzonych na potrzeby specjalistycznego oprogramowania.
Inną metodą jest weryfikacja systemu poprzez badania prowadzone z użyciem
modeli fizycznych lub jednostek pełnowymiarowych. Ze względu na ograniczenie
kosztów najczęściej stosowaną metodą weryfikacji są badania z wykorzystaniem
modeli matematycznych za pomocą symulacji komputerowych. Można wyróżnić
kilka sposobów prowadzenia tego typu badań, w których udział biorą: symulatory
nawigacyjne opracowane przez znanych producentów sprzętu elektronawigacyjnego, środowisko Matlab, a także wiele programów nowatorskich opracowanych
z użyciem języków programowania, takich jak C, C++, C#, Java, Visual Basic,
Perl, PHP i wielu innych.
Przy takim jednak podejściu do prowadzenia badań nie wszystkie negatywne
aspekty systemu wspomagania decyzji lub systemu antykolizyjnego mogą być
wyeliminowane. Głównym elementem powodującym trudności w procesie weryfikacji jest uwzględnienie dynamiki obiektu – w tym wypadku statku, na którym
zainstalowano system antykolizyjny. Wynika to z wielu uproszczeń zakładanych
przez badaczy podczas tworzenia modelu matematycznego danego obiektu oraz
braku idealnych modeli matematycznych opisujących zakłócenia hydrometeorologiczne w postaci prądów morskich, falowania, wiatru, pływów itp.
A. Łebkowski, Weryfikacja systemów sterowania statkiem z wykorzystaniem...
59
Innym czynnikiem wpływającym negatywnie na proces weryfikacji danego
systemu za pomocą symulacji komputerowych z zastosowaniem modeli matematycznych jest konieczność uwzględnienia opóźnień i zakłóceń sygnałów, jakie
występują podczas pracy z rzeczywistymi urządzeniami elektronawigacyjnymi.
Dlatego proces weryfikacji konkretnej metody, w którym stosuje się modele
fizyczne, oferuje większą liczbę parametrów dla rozpatrywanej sytuacji nawigacyjnej z uwzględnieniem różnych aspektów badawczych.
Wadą procesu weryfikacji danego systemu antykolizyjnego lub metody
sterowania z użyciem modeli fizycznych są wyższe koszty prowadzenia badań
w stosunku do metody, w której stosuje się modele matematyczne na drodze
symulacji komputerowych. Mając jednak na uwadze, że od poprawnego działania
systemu w przyszłości może zależeć życie i zdrowie ludzkie, do weryfikacji
systemów antykolizyjnych powinno się używać modeli fizycznych, chociażby
w ich uproszczonej wersji i dużej skali odwzorowania. Skuteczność procesu
weryfikacji danego systemu sterowania ma bezpośredni wpływ na poziom bezpieczeństwa na morzu. Im więcej niedociągnięć i usterek danego systemu wspomagania decyzji wyeliminuje się w wyniku prowadzonych badań symulacyjnych, tym
istnieją większe szanse na prawidłowe i niezawodne jego działanie w przyszłości.
Dlatego sposób weryfikacji danego systemu antykolizyjnego odgrywa główną rolę
w stosunku do jego niezawodności.
2. PRAWA PODOBIEŃSTWA MECHANICZNEGO A MODELOWANIE
ŚRODOWISKA NAWIGACYJNEGO [1, 2]
Opracowując proces weryfikacji danej metody badawczej z wykorzystaniem
modeli fizycznych, należy mieć na uwadze, w jakiej skali wykonany jest model,
który ma być używany do prowadzenia badań. Badania modelowe powinny
odzwierciedlać zjawisko rzeczywiste w sposób jak najbardziej zbliżony do
rzeczywistości. Innymi słowy, zjawisko modelujące powinno być podobne do
zjawiska modelowanego zachodzącego w rzeczywistości. Dlatego budując model
fizyczny wzorowany na obiekcie rzeczywistym, należy uwzględnić konieczność
zachowania podobieństwa geometrycznego, kinematycznego i dynamicznego
pomiędzy zjawiskiem modelowanym a modelującym. Zachowanie określonego
podobieństwa oznacza, że dwa układy: modelowy i modelowany mają taką samą
wartość liczby bezwymiarowej.
Zachowanie podobieństwa geometrycznego oznacza, że stosunek pomiędzy
dowolnymi liniowymi wymiarami w zjawisku modelowanym L i modelującym LM
jest stały:
L
const,
   const
(1)
LM
60
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzień 2009
przy czym:  – współczynnik skali liniowej.
W konsekwencji tego stwierdzenia należy rozumieć, że miary wartości kątów
występujących w obu zjawiskach będą sobie równe, natomiast stosunki odpowiadających pól powierzchni A, AM oraz proporcje pojemności , M określone są
zależnościami:
A
 2 ,
AM
(2)

 3 .
M
(3)
Spełnienie warunków podobieństwa kinematycznego związane jest z zachowaniem współczynnika skali czasu, prędkości oraz przyspieszeń pomiędzy zjawiskiem modelowanym t i zjawiskiem modelującym tM. W wypadku współczynnika
skali czasu określony on będzie zależnością:
t
tM
   const.
(4)
Korzystając z zależności (1) i (4), można określić współczynnik skali związany
z prędkością, opisany wyrażeniem:
V
  1
VM
(5)
oraz współczynnik związany ze skalą przyspieszeń:
a
  2 .
aM
(6)
Mając na uwadze zachowanie podobieństwa dynamicznego, należy zrównoważyć proporcje pomiędzy siłami występującymi w rzeczywistości w zjawisku
modelowanym F a siłami występującymi w zjawisku modelującym FM :
F
m a

 .
FM mM aM
(7)
Zastępując w zależności (7) stosunek mas stosunkiem objętości oraz współczynników gęstości, odpowiednio dla zjawiska modelowanego i modelującego,
oraz uwzględniając zależność (6), otrzymuje się ogólną postać równania podobieństwa dynamicznego, znaną pod nazwą warunku Bertranda, określonego
zależnością:

S 4 2
 .
M
(8)
61
Warunek Bertranda, który odnosi się do sił bezwładności, jest warunkiem
koniecznym, ale niewystarczającym do istnienia podobieństwa dynamicznego.
Z tego względu należy ustalić, jakie warunki powinny być dodatkowo spełnione,
aby zachować określone zależności dynamiczne i kinematyczne pomiędzy zjawiskiem modelowanym a modelującym. Uwzględniając wykonanie odpowiednich
przekształceń matematycznych, muszą być dodatkowo spełnione zależności związane z: podobieństwem dynamicznym procesów nieustalonych (liczba Strouhala),
podobieństwem dynamicznych przepływów odbywających się pod wpływem pola
grawitacyjnego, a w szczególności podobieństwem układów falowych generowanych przez statek rzeczywisty i model fizyczny (liczba Froude’a); podobieństwem
dynamicznym przepływu (liczba Eulera) oraz podobieństwem dynamicznym sił
lepkości (liczba Reynoldsa).
Biorąc pod uwagę fakt, że przyspieszenie ziemskie w zjawisku modelowanym
i zjawisku modelującym jest takie samo, współczynnik skali czasu określa się
następującym wyrażeniem:
 .
(9)
Ze względu na to, że spełnienie wszystkich warunków podobieństwa jest
niemożliwe, badania modelowe obarczone są zawsze pewnym błędem zwiększającym się wraz ze skalą zjawiska modelowanego. Zależność ta odnosi się
bezpośrednio do współczynnika skali liniowej  i nosi nazwę efektu skali. O ile dla
badaczy nie stanowi problemu zachowanie podobieństwa geometrycznego, o tyle
zachodzą duże problemy przy zachowaniu podobieństwa dynamicznego związanego ze spełnieniem warunku równości liczby Reynoldsa w zjawisku modelowanym i modelującym. Wynika to z tego, że badania prowadzone są w płynie o tych
samych właściwościach fizycznych. Dlatego podczas badań modeli statków
zachowuje się najczęściej podobieństwo geometryczne, równość współczynnika
posuwu i liczby kawitacyjnej (związanych ze śrubą napędową), z pominięciem
warunku równości liczby Froude’a.
3. STRUKTURA UKŁADU POMIAROWEGO DO BADAŃ
Z MODELEM FIZYCZNYM [2]
Zaproponowane rozwiązanie dotyczące procesu weryfikacji systemów
sterowania statkiem opiera się na współpracy modelu fizycznego statku typu ro-ro
o symbolu B-481 wykonanego w skali 1:100 z jednostką pomiarowo sterującą
umieszczoną na brzegu akwenu. Model fizyczny opracowano z zachowaniem praw
podobieństwa mechanicznego przedstawionych w punkcie 2. W trakcie realizacji
badań fizyczny model statku B-481 porusza się w środowisku rzeczywistym,
natomiast położenie i parametry ograniczeń nawigacyjnych o charakterze
statycznym i dynamicznym modelowane były wirtualnie. Dla układu sterowania
62
statkiem, który poddany jest takiej metodzie weryfikacji, oznacza to, że za sprawą
modelowania elektronicznego obiektów (innych obiektów i poruszających się
statków) są one widziane w identyczny sposób, jakby miały poruszać się w rzeczywistości na danym akwenie wokół statku własnego – czyli tego, na którym
zamontowany jest weryfikowany system. Strukturę układu pomiarowego wykorzystywanego do procesu weryfikacji danego systemu sterownia statkiem przedstawiono na rysunku 1.
Opracowana struktura układu pomiarowego umożliwia prowadzenie badań
w środowisku rzeczywistym do 200 metrów od stacji brzegowej. Gdy uwzględni
się skalę prowadzonych badań, wynika z tego, że wirtualne sytuacje nawigacyjne
mogą być modelowane w rejonie o promieniu ok. 20 Mm od stacji brzegowej.
W praktyce oznacza to, że podane wymiary obszaru prowadzenia badań w zupełności wystarczą do modelowania różnorodnych sytuacji nawigacyjnych z wykorzystaniem ograniczeń nawigacyjnych o charakterze statycznym i dynamicznym.
PC
Nadajnik
40 MHz
Odbiornik
900 MHz
USB
USB
RS422
RS232
Advantech
PCI 1714
Anemometr
Radiomodem
433 MHz
Dalmierze
laserowe
Dalmierze
laserowe
GPS
Odbiornik 40MHz
Maszyna
sterowa
Regulator
prędkości
SILNIK
GŁÓWNY
Nadajnik
900 MHz
Radiomodem
433 MHz
Serwer
Kompas
Echos.
Log
Rys. 1. Struktura układu pomiarowego wykorzystywanego do badań z modelem fizycznym
B-481 wykonanym w skali 1:100
63
4. URZĄDZENIA SYSTEMU POMIAROWEGO UŻYTE DO BADAŃ
Z MODELEM FIZYCZNYM [2]
Przedstawiony układ do weryfikacji systemów sterowania statkiem obejmuje
urządzenia związane z określeniem warunków hydrometeorologicznych panujących na danym akwenie, jak również urządzenia i elementy wykonawcze związane
ze sterowaniem rzeczywistym modelem, takie jak:
 bezprzewodowy (zakres 40 MHz) układ sterowania fizycznym modelem statku
B-481 z wykorzystaniem karty przetwornikowej Advantech typu PCI-1751 oraz
aparatury SANWA;
 system SILVA NX2 FDX wraz z radiomodemami bezprzewodowymi typu R4P
(zakres 433 MHz) realizujący pomiar prędkości modelu, jego kursu, pozycji
oraz głębokości pod dnem;
 bezprzewodowe (zakres 900 MHz) urządzenie pomiarowe SEAGULL służące
do pomiaru takich parametrów, jak: prędkość obrotowa silnika głównego,
wychylenie steru, napięcie zasilania aparatury sterującej, temperatura otoczenia
silnika napędowego;
 pomocniczy system dalmierzy laserowych przeznaczony do pomiaru pozycji
modelu w środowisku (szczególnie przydatny podczas badań na pływalni krytej,
na której sygnał z systemu pozycjonowania GPS jest zbyt słaby);
 system wodnego balastowania modelu oraz zasilania poszczególnych urządzeń
pomiarowych.
4.1. Komputerowy układ sterujący
Rolę układu pomiarowego, i jednocześnie sterującego, spełnia oprogramowanie zainstalowane na komputerze klasy PC. Poprzez wejścia USB doprowadzane są sygnały pomiarowe oraz sterujące dla wszystkich urządzeń. Sygnały
przekazywane są w standardzie NMEA 0183. Dodatkowo do przesyłania danych
z i do modelu wykorzystuje się transmisję radiomodemową w zakresie różnych
częstotliwości: 40 MHz, 433 MHz, 900 MHz. Transmisja radiowa pozwala na
osiągnięcie komunikacji z serwerem NX2 FDX firmy SILVA, karty Advantech
PCI-1751 generującej sygnały dla nadajnika SANWA RD-8000 oraz układem
pomiarowym SEAGULL. Inne sygnały informacyjne, jak np. sygnał z anemometru, doprowadzane są poprzez łącze RS422. Komputerowy układ sterujący
umożliwia podłączenie sygnałów z innych urządzeń służących na przykład do
określania warunków panujących na danym akwenie, takich jak falomierz,
wiatromierz, termometr itp.
64
4.2. Układ pomiarowy SILVA NX2 FDX [5]
Do pomiaru pozycji, prędkości, kursu oraz głębokości pod dnem modelu
fizycznego zastosowano układ SILVA NX2 FDX wraz z modemami bezprzewodowymi (zakres 433 MHz). Możliwości pomiarowe układu są następujące:
 serwer Silva NX2 FDX (2x NMEA 0183 v.2.0),
 pomiar prędkości – Silva Log Transducer TH-52 (dokładność 1%),
o
o
 pomiar kursu – Silva Compass Transducer 45 (dokładność 1,5 , czułość
0,1o),
 pomiar pozycji – GPS GARMIN 15H z aktywną anteną (dokładność < 3 m
95%); ze względu na to, że odbiornik ma wbudowany system różnicowy
WAAS/EGNOS, istnieje możliwość skorzystania ze stacji referencyjnej, np.
Rozewie (pozycja: 54°49'50”N, 18°20'07”E, zasięg 150 km, kanał 35, częstotliwość 301 kHz); ustalenie pozycji z wykorzystaniem stacji referencyjnej
zwiększa dokładność ustalania pozycji do kilkunastu centymetrów w pewnym
czasie w zależności od konstelacji satelitów,
 pomiar głębokości – Silva Depth Transducer TH52 (dokładność  0,3%).
4.3. Układ pomiarowy SEAGULL [3]
Jest to system zakupiony w firmie SEAGULL, który umożliwia rejestrację oraz
odczyt w czasie rzeczywistym kilkunastu parametrów związanych z techniczną
obsługą modeli fizycznych. Podczas badań z modelem fizycznym B-481
monitorowano takie parametry, jak:
 prędkość obrotowa silnika głównego (dokładność 1%),
 wychylenie steru (dokładność 0,01o),
 napięcie zasilania aparatury sterującej (dokładność 0,1 V),
 temperatura otoczenia silnika napędowego (dokładność 0,1o).
4.4. Układ dalmierzy laserowych
Do określenia pozycji modelu fizycznego w środowisku zastosowano
zamiennie pomiar z GPS-u oraz opracowany przez autora system dalmierzy
laserowych z wykorzystaniem urządzeń DISTOTM pro4a. Dalmierze laserowe
DISTOTM pro4a są produktem szwajcarskiej firmy Leica®. Zasięg ich pracy to
150 m, a dokładność pomiaru przy takiej odległości to 1,5 mm. Dalmierze
wyposażone są w interfejs RS232 – umożliwia to bezpośredni przesył informacji
o zmierzonej odległości do komputera (rys. 2).
Pomiar pozycji wyznaczany jest na podstawie odległości od modelu
fizycznego poruszającego w środowisku naturalnym.
65
dw
d'1
1
d'2
D12
2
Rys. 2. Idea pomiaru pozycji modelu fizycznego z wykorzystaniem dalmierzy laserowych;
d w – średnica walca zamontowanego na modelu fizycznym, na który skierowane są
promienie z dalmierzy laserowych, d1' , d 2' – wartości odczytane odpowiednio z dalmierza
nr 1 i dalmierza nr 2, D12 – odległość pomiędzy środkami obrotów dalmierzy,
dw
,
2
d
d 2 – odległość od osi obrotu modelu fizycznego d 2  d 2'  w
2
d1 – odległość od osi obrotu modelu fizycznego d1  d1' 
Dokonując pomiaru odległości od modelu fizycznego ( d1' , d 2' ) oraz znając
odległość (D12) pomiędzy parą dalmierzy wykonującą pomiar, można ustalić
współrzędne położenia (x, y) modelu fizycznego na podstawie następującej
zależności:

d12  d 22  D122
x



2  D12
.


2
2

 y  d1  X
(10)
4.5. Pomiar zakłóceń hydrometeorologicznych – pomiar wiatru [4]
Do określenia siły i kierunku wiatru działających na model fizyczny
wykorzystano anemometr firmy GILL – instrument model WINDOBSERVER II,
charakteryzujący się następującymi parametrami:
 zakres pomiarowy dla siły wiatru: 065 m/s,
 dokładność pomiarowa dla siły wiatru: 2%,
66
 zakres pomiarowy dla kierunku wiatru: 0359o,
 dokładność pomiarowa dla kierunku wiatru: 2%.
4.6. Aparatura sterująca SANWA RD-8000
Do sterowania modelem fizycznym (sterowanie silnikiem głównym, płetwą
sterową modelu, dziobowym i rufowym sterem strumieniowym oraz opcjonalnie
skokiem śruby nastawnej i balastowaniem) wykorzystuje się aparaturę radiową
SANWA RD-8000, która oferuje możliwość zmiany sygnałów sterujących dla
ośmiu kanałów. Dodatkowe wejście na płycie głównej tej aparatury umożliwia
podłączenie zewnętrznych sygnałów sterujących generowanych w tym wypadku
przez kartę przetwornikową Advantech PCI-1751 oraz specjalnie opracowany
mikrokontroler dla zwiększenia dokładności sterowania. Kodowanie przesyłanych
informacji
w aparaturze SANWA RD-8000 odbywa się z użyciem modulacji PWM/PPM –
modulacja szerokości/położenia impulsu, przy której dane przesyłane są w formie
zmiennej długości impulsów. Pojedynczy ciąg impulsów składa się z kilku
impulsów kanałowych oraz impulsu synchronizacji (rys. 3).
Napięcie
[V]
K1
synchronizacja
K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 Synchronizacja
9,6
Czas [ms]
23,7
23.7
Rys. 3. Przebieg ciągu impulsów generowanych przez kartę przetwornikową
Znajomość tych informacji pozwala na bardzo dokładne sterowanie modelem.
Impuls synchronizacji umieszczony jest na końcu paczki impulsów i służy do
rozpoznania przez dekoder zamontowany w odbiorniku początku następnej paczki
impulsów. Czas trwania impulsu synchronizacji wynosi w zależności od
wysterowania poszczególnych kanałów od 8,5 do 14,9 ms (w tym czas trwania
stanu wysokiego 0,4 ms). Czas trwania stanu niskiego dla danego kanału w paczce
określa wartość sygnału sterującego. Czas trwania stanu wysokiego dla wszystkich
kanałów jest taki sam i wynosi 0,4 ms. Na rysunku 4 przedstawiono kształt sygnału
67
sterującego dla określonego zakresu sterowania, dla którego rozdzielczość wynosi
8000 jednostek. Dla sterowania płetwą sterową statku w zakresie 35o, wychylenie
steru na –35o zostanie uzyskane przy wartości sygnału sterującego równej 0,
natomiast wychylenie steru na 0o przy 4000, a wychylenie steru na +35o przy
8000.
a)
b)
Napięcie
[V]
Napięcie
[V]
0.4
0.7
1.1
0.4
9,6
9,6
a.
Czas [ms]
b.
Czas [ms]
1.1
1.6
Napięcie
[V]
c)
1.5
0.4
9,6
c.
Czas [ms]
1.9
Rys. 4. Przebieg sygnału sterującego dla pojedynczego kanału: a) kształt sygnału
sterującego dla wartości maksymalnej w określonym kierunku, b) położenie zerowe,
c) kształt sygnału sterującego dla wartości maksymalnej w przeciwnym kierunku
niż na rysunku a
5. WNIOSKI
Zaproponowany proces weryfikacji systemów sterowania statkiem jest
pośrednią metodą badawczą pomiędzy tanimi metodami prowadzenia badań
z wykorzystaniem symulacji komputerowych a kosztownymi badaniami z zastosowaniem modeli rzeczywistych wykonanych w małej skali (poniżej 1:40). Stosowanie liczb podobieństwa w trakcie budowy modelu w skali umożliwia uproszczenie i obniżenie kosztów badań.
Pomimo zastosowania modelu wykonanego w dużej skali (powyżej 1:40)
potencjalnie uzyskane wyniki badań mogą w znacznym stopniu być bliższe zjawis-
68
kom zachodzącym w rzeczywistości niż wyniki, które można uzyskać poprzez
symulacje komputerowe.
Dzięki elektronicznemu modelowaniu środowiska nawigacyjnego, w którym
porusza się rzeczywisty model statku wykonany w skali 1:100, możliwe jest bardzo
dokładne zamodelowanie wielu rozmaitych sytuacji nawigacyjnych zawierających
różnorodną kombinację ograniczeń nawigacyjnych o charakterze statycznym (lądy,
płycizny, kanały, tory wodne, konstrukcje techniczne itp.) oraz dynamicznym
(góry lodowe, inne poruszające się statki i obiekty itp.).
Zastosowanie przedstawionego procesu weryfikacji systemów wspomagania
decyzji oraz kierowania ruchem statku może w znacznym stopniu przyczynić się
do wzrostu poziomu bezpieczeństwa na morzu oraz zmniejszyć koszty eksploatacji
statku.
LITERATURA
1. Jarosz A., Okrętowe baseny modelowe, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1977.
2. Łebkowski A., Hybrydowy system sterowania obiektem ruchomym w środowisku dynamicznym,
rozprawa doktorska, Politechnika Gdańska 2006.
3. http://www.eagletreesystems.com
4. http://www.gill.co.uk
5. http://www.silva.se
VERIFICATION OF SHIP STEERING SYSTEMS WITH USE OF PHYSICAL
MODELS
Summary
The paper presents one of the methods of verification of ship steering systems or navigation decision
aids for the navigator. The process of verification is based on use of small scale (1:100) physical
model, which moves in real navigational environment. Navigational situations are generated virtually
for the moving model, which is coupled by radio with the shore station. The described process of
verification is characterized by low investment costs in relation to results of research.

Weryfikacja systemów sterowania statkiem z wykorzystaniem modeli

Transkrypt

Podobne dokumenty

Zapisz - Klimatyzacja.pl

Zdalny dostęp do systemów sterowania z

REJS STATKIEM PO KANALE GLIWICKIM W programie

Antena TV pokojowa DVB

andrzej toruński